可观测的宇宙

Article

October 18, 2021

在宇宙学中,可观测宇宙是由一个以观察者为中心的球体所限定的空间区域,小到可以在其中观察到物体,也就是有足够的时间让物体在任何时候发出信号以光速运动的大爆炸现在已经到达了观察者。每个位置都有自己的可观测宇宙,它可能是也可能不是以地球为中心的宇宙的一部分。在这种情况下,“可观察”一词与现代技术是否允许检测该区域物体的辐射无关。它只是意味着,原则上,来自物体的光或其他辐射有可能到达地球上的观察者。在实践中,你只能观察到最后一次重组的表面的物体,在此之前,宇宙对光子是不透明的。然而,通过探测同样以光速传播的引力波,可以推断出在那一刻之前的信息。

宇宙和可观测宇宙

关于宇宙学的流行和专业文章在“可观察的宇宙”的意义上使用“宇宙”一词。这可以通过以下事实来证明,即某些与我们有因果关系的宇宙部分的直接实验无法通过直接实验来了解,尽管一些理论,例如宇宙暴胀,需要一个比可观测宇宙大得多的宇宙。没有证据表明可观测宇宙的边界与宇宙的物理边界完全匹配(如果存在这样的边界);这极不可能,因为这意味着地球位于宇宙的正中心,违反了宇宙学原理。 [需要引用] 另一种可能性是宇宙比可观测的宇宙小。在这种情况下,我们认为的极远星系可能是更近星系的复制图像,由环绕宇宙的光形成。很难用实验来检验这个假设,因为星系的不同图像会显示其历史的不同时期,因此看起来可能大不相同。 2004 年的一篇论文声称已为宇宙的直径设定了 24 秒差距(780 亿光年)的最小极限,使其充其量仅比可观测宇宙略小。该值基于对 WMAP 数据的分析。[需要引用]因为星系的不同图像会显示其历史的不同时期,因此看起来可能大不相同。 2004 年的一篇论文声称已为宇宙的直径设定了 24 秒差距(780 亿光年)的最小极限,使其充其量仅比可观测宇宙略小。该值基于对 WMAP 数据的分析。[需要引用]因为星系的不同图像会显示其历史的不同时期,因此看起来可能大不相同。 2004 年的一篇论文声称已为宇宙的直径设定了 24 秒差距(780 亿光年)的最小极限,使其充其量仅比可观测宇宙略小。该值基于对 WMAP 数据的分析。[需要引用]

宇宙网

术语宇宙网用于描述星系在可观测宇宙中的分布方式。从远处看,它们由交叉和连接的线构成,称为细丝,形成类似于蜘蛛网的三维结构。这些细丝主要由暗物质组成,暗物质是一种奇特的物质形式,具有引力但不发光。

尺寸

从地球到可见宇宙边缘(也称为光的宇宙视界)的共同移动距离在任何方向上都约为 140 亿秒差距(460 亿光年)。这为可观测宇宙的可移动半径设定了下限,尽管正如引言中所述,预计可见宇宙比可观测宇宙略小,因为人们只能看到来自宇宙背景辐射的光。重组期过后。因此,可见宇宙是一个直径约为 280 亿秒差距(约 920 亿光年,或 920 六亿公里)的球体。空间怎么算平坦,这对应于大约 4 3 × π × R 3 4 × 10 32 ly 3 {\displaystyle {\frac {4}{3}}\times \pi \times \mathrm {R} ^{3} 4 的可移动体积\times 10^{32}{\text{ ly}}^{3}} 或大约 3×1080 立方米。上面的数字表示现在的距离(宇宙学时间),而不是光发射时的距离。例如,现在可以看到的宇宙背景辐射是在大爆炸后 379,000 年的重组时发出的,大约发生在 137 亿年前。这种辐射是由物质发出的,然而,大部分物质凝结成星系,其距地球的距离计算为 460 亿光年。为了估计光发射时到该物质的距离,需要一个膨胀的数学模型,以及计算自大爆炸以来选定时间 t 的比例因子 a(t)。对于 Lambda-CDM 模型,使用来自 WMAP 卫星的数据,这样的计算导致了大约 1292 的比例因子转换。这意味着宇宙已经膨胀了 1292 倍的大小,当时宇宙辐射光子背景已经被释放.因此,今天可以观测到的最遥远的物质,距离我们 460 亿光年,当我们现在接收到的微波被发射时,距离最终成为地球的物质只有 3600 万光年。 [需要引用]

错误

一些二手资料表明,对于可见宇宙的大小有很多不正确的想法。其中一些列在下面。 137亿光年。宇宙的年龄约为137亿年。众所周知,没有什么比光速更快,因此假设可观测宇宙的半径必须为 137 亿光年是一个常见的错误。只有当宇宙是狭义相对论的平坦时空时,这种推理才有意义;在真实的宇宙中,时空在宇宙尺度上是弯曲的,这意味着三维空间正在膨胀,正如哈勃定律所证明的那样。通过将光速乘以宇宙学时间间隔而获得的距离没有直接的物理意义。 158亿光年。这是以与 137 亿光年相同的方式获得的,但从 2006 年中期大众媒体指出的错误宇宙年龄开始。270 亿光年。这是从 137 亿光年的(不正确的)半径获得的直径。 780亿光年。这是整个宇宙大小的下限,基于当前我们可以在宇宙背景辐射两侧看到的点之间的估计距离;因此,它代表了宇宙背景辐射形成的空间的直径。如果整个宇宙都比这个球体小,那么从大爆炸开始,光就有时间环绕它,在宇宙背景辐射中产生多个遥远点的图像,这些图像将表现为重复的圆圈图案。Cornish 和他的团队在高达 24 秒差距(780 亿光年)的尺度上寻找这种效应,但没有找到,并建议如果他们能够将搜索范围扩展到每个可能的方向,那么他们将“能够排除我们生活在一个直径小于 24 秒差距的宇宙中的可能性”。作者还估计,“有了更少的噪音和更高分辨率的宇宙背景辐射图,我们将能够寻找更小的圆圈并将限制扩展到大约 28 秒差距。”在计划的实验中可见的宇宙背景辐射球体的最大直径估计对应于 14 千兆秒差距,与上一节中给出的数字相同。 1560亿光年。这个测量是通过将 780 亿光年加倍而获得的,假设这是一个半径。由于 780 亿光年已经是一个直径,所以结果是不正确的。这一措施被广泛使用。 1800亿光年。这个估计数追踪了一些资料来源的 158 亿年的估计年龄;它是通过将 1560 亿光年的错误测量结果错误地增加 15% 获得的。

主题内容

可观测的宇宙包含大约 3 到 7 × 1022 颗恒星(30 到 700 亿万亿颗恒星),它们组织成超过 800 亿个星系,这些星系本身形成了星系团和超星系团。两次近似计算给出了宇宙中可观测到的原子数量。大约 1080 年。 威尔金森微波各向异性探测器对宇宙背景辐射的观测表明,宇宙的空间曲率非常接近于零,这在当前的宇宙学模型中意味着密度参数的值必须非常接近某个临界值。这适用于 9.9×10−27 kg/m3,相当于每立方米约 5.9 个氢原子。对 WMAP 获得的结果的分析表明,只有大约 4,6% 的临界密度以“正常”原子的形式存在,而 23% 被认为由冷暗物质和 72% 的暗能量组成;因此,这意味着 0.27 个氢原子/立方米。乘以可观测宇宙的体积,你会得到大约 8×1079 个氢原子。一颗典型的恒星质量约为 2×1030 kg,大致相当于每颗恒星有 1×1057 个氢原子。一个典型的星系大约有 4000 亿颗恒星,这意味着每个星系有 1×1057 × 4×1011 4×1068 个氢原子。宇宙中可能有800亿个星系,这意味着可观测宇宙中大约有4×1068×8×1010 3×1079个氢原子。但这肯定是一个低估了极限的计算,他忽略了许多可能的原子来源。

可观测宇宙质量

可观测宇宙的质量可以根据密度和大小来估计。

基于测量的恒星密度的估计

计算构成可观测宇宙的可见物质质量的一种方法是取平均恒星质量并将该值乘以可观测宇宙中估计的恒星数量。4 3 π S 水平线 3 9 × 10 30 ly 3 {\displaystyle {\frac {4}{3}}\pi {S_{\text{horizo​​n}}}^{3}9\times 10^{30}\ {\textrm {ly}}^{3}} 和根据哈勃太空望远镜观测计算的恒星密度 5 × 10 21星 4 × 10 30 光年 3 10 − 9 星 / ly 3 {\displaystyle {\frac {5\times 10^{21}\ {\text{stars}}}{4\times 10^{30}\ {\text{光年}}^{3}}}10^{-9}\{\text{stars}}/{\textrm {ly}}^{3}} 导致对 9 × 1021 颗恒星(90 亿颗恒星)的可观测宇宙中恒星数量的估计。取太阳的质量(2 × 1030 kg)作为平均太阳质量(基于大量的矮星抵消了质量大于太阳的恒星的数量)并四舍五入在 1022 颗恒星的数量,一颗到达可观测宇宙中所有恒星的总质量为 2 × 1052 kg。然而,正如“物质含量”部分强调的那样,WMAP 结果与 Lambda-CDM 模型相结合预测,可观测宇宙总质量的不到 5% 是由可见物质(例如恒星)组成,其余部分由可见物质组成。由物质和暗能量组成。弗雷德霍伊尔爵士使用公式 4 3 ⋅ π ⋅ ρ ⋅ ( c H ) 3 {\displaystyle {\frac {4}{3}}\cdot \pi \cdot \rho \cdot \ 计算了可观测静止宇宙的质量left ({\frac {c}{H}}\right)^{3}} 也可以放置为 c 3 2 GH {\displaystyle {\frac {c^{3}}{2GH}}} 。

也可以看看

大爆炸宇宙宇宙学

参考

外部链接

“计算宇宙网密度”。O Estado de S. Paulo Guimarães, JC «人的真实维度»。布拉杂志 «天文学家发现“看不见的”宇宙网»。Portal Terra «神秘的宇宙网»。真理报«寻找起源/副标题:重子——一种可能性/美国宇航局»(PDF)。NASA 在线宇宙学常见问题解答 哈勃、VLT 和斯皮策在早期宇宙星际巡天中捕获星系形成达到 70 六分之一 膨胀和宇宙微波背景,Lineweaver 2003 宇宙光地平线动画 宇宙对数图